一、 单性结实相关基因的研究进展：
1.与单性结实有关的基因。
单性结实的植物子房中含有大量的生长素和赤霉素，可刺激果实座果和生长。通过对单性结实突变体尤其是番茄pat突变体的研究，发现了一些影响单性结实的基因。这些基因均表现出多效性，如某些花畸形发育、导致雄性不育或雌性不育。在pat突变体中，子房的发育始于开花期之前，因而从这一时间以及从花的各种畸形来看， pat基因在花发育早期控制着花器官的形成。单性结实只是基因活动的附属效应。很可能那些影响器官形态建成及生长的基因对子房发育有推迟作用 (Mazzucato，1998)。由于细胞伸长受阻而引起器官畸形，如花药变短，籽粒、果实、被膜变小，均暗示着pat基因可能影响植物体内赤霉素的代谢。对这些突变体的花施用赤霉素可恢复花药的野生型表现型，但不能恢复雌花的育性。
另外，在单性结实的拟南芥(Arabidopsis)突变体SPINDLY(SPY)中发现，突变体SPY基因产物可能参与调节赤霉素信号传导途径(Jacobsen and Olszewski，1993；Vivian-smith and Koltunow，1999)。突变体SPY的表现型包括单性结实的长角果和部分雄性不育，经多次施用赤霉素又可恢复其野生型表现型。对于赤霉素生物合成途径受影响的突变体及对赤霉素不敏感的拟南芥矮化突变体gai，SPY基因还有上位性作用(Jacobsenetal，1996)。双突变分析表明，在赤霉素信号传递途径中，SPY基因编码一个负调控因子——含有三十四肽重复单位(tetratricopeptide repeats)的蛋白质。在植物中很少有带有三十四肽重复单位的基因被分离出，而在其它的生物体中，这些重复单位与转录阻遏或细胞周期的调控有关。
2.与单性结实有关的蛋白质的鉴定。
人们已研究了番茄子房中与天然单性结实有关的基因表达(FosandNuez，1997)。在开花期，将番茄的非单性结实系和近等基因单性结实系 (pat-2)的子房分离，并从子房中提取总RNA。对其进行双向聚丙烯酰胺凝胶电泳和体外翻译，结果发现至少有6个体外翻译产物在这对近等基因系材料间存在着差异表达，其中一个30kD的蛋白质在其它的单性结实突变体(pat-3和pat-4)的子房中也存在(FosandNuez，1996)。因此，相应的基因克隆可能会为单性结实的遗传操作开辟新的途径。此外，对拟南芥单性结实突变体的研究也有望找到与单性结实有关基因及其蛋白质。
3.单性结实相关基因的分子标记。
无籽葡萄遗传特性的研究表明，无籽性状是由3个互补的隐性基因。a1,a2和a3控制，并各自独立遗传，但它们还受显性基因I的调控(Bouquet and Danglot，1996)。近期，通过运用集合分离分析法(bulk segregant analysis)，人们找到了与基因I紧密连锁(0．7—0．8厘摩)的RAPD标记(Lahogue，1998)，将该标记转换成为共显性的SCAR (sequence-characterized amplified region)标记，并进行统计分析，结果显示基因I对葡萄单性结实起重要作用，且种子中干物质变化的78．7％是由这个标记所引起的，而干物质是衡量种子大小和硬度的标准。这一SCMt标记物可作为图谱克隆基因I的起点。
二、 基因工程生产无籽果实的新策略：
1.利用F1代植物生产无籽果实。
对黄瓜等雌花施用外源的生长素(Homan，19641)、赤霉素、细胞分裂素(Choudhury and Phatak，1959)及生长素运输抑制因子(Robinson，1971)均可使子房中生长素含量增加，进而诱导了单性结实；人们还发现单性结实的番茄子房中生长素浓度很高(Geroge et al，1984；Gustafson，1939)，可见单性结实与子房中的生长素含量相关。因此，从理论上讲，运用转基因技术，在植物子房中表达生长素和细胞分裂素生物合成的基因可在开花期和果实发育早期之间诱导单性结实：例如，根癌农杆菌Ti质粒T-DNA区存在有IaaM基因编码色氨酸单加氧酶，它在 IAA生物合成途径中催化色氨酸(Trp)转变为吲哚乙酰胺(IAM)；此T-DNA区还存在另一个ipt基因，编码异戊烯基转移酶(IPF)，IPT催化细胞分裂素生物合成中最重要的一步限速反应，即5’-磷酸腺苷和Δ2-异戊烯基焦磷酸化合生成N6[Δ2-异戊烯基]-5’-磷酸腺苷的反应；另外农杆菌RolB基因导入植物后可使转基因植物雄性不育(BargandSalts，1996)，还导致花药中IAA含量增加，GA含量降低，推测这类基因有可能通过破坏花粉细胞中的激素平衡引起花粉败育。将一些子房特异性表达启动子如金鱼草(Antirrhinum majus)启动子pDefH9(Spena，1998)及启动子pGH3，pAGL和pPLE36(Li，1998)等，与上述农杆菌中分离出的影响植物激素合成的基因构建成融合基因，导入植物，可作为F1代植物生产无籽果实的一种新策略。
Rotino等(1997)已将DefH9启动子与 IaaM基因融合，并将其导入茄子和烟草中。在10株转基因烟草中有5株可单性结实，且座果率分别为95．5％、93．9％、90．0％、33．0％及 15．0％。经RT-PCR(reverse-transcription polymemse chain reaction)检测，这5株单性结实的转基因烟草中DefH9-IaaM的mRNA表达相对稳定(占幼花蕾总mRNA的3×10-8～5×10- 8)，而非单性结实的转基因植株则没有DefH9-IaaM表达或表达量很低。在转基因茄子的研究中获得了更令人满意的效果，6个株系均获得100％的单性结实座果率。这表明在子房中表达生长素生物合成途径的某些基因可以诱导单性结实。这种转基因茄子在冬季也能座果，而在相同条件下，非转基因的植物不能结果，显示出单性结实的转基因植物更具有商品化的潜力。但有一个缺点是必须将花去雄后才能获得无籽果实，为了方便使用，此转基因茄子必须和雄性不育系配套。另一个问题是，为使这一策略具有实用价值，以获得能发芽并产生无籽果实植株的F1代杂交种子，就必须把这套雄性不育系引入F1代杂交种的生产中。
2．防止F2代种子的形成。
由于种皮只含有来自母本的染色体，因此通过转基因技术，将细胞毒素基因置于种皮特异性启动子之下，并结合常规杂交手段，可防止F2代种子的产生。进而实现F2代植物的无籽生产，现将两种新策略介绍如下：
（1）生长素过量表达使F2代种子败育。这一策略(Tomes，1997b)的原理是控制某一代谢途径的两个基因各自独立表达时，对植物是无害的，而它们联合表达时，可在植物组织中产生毒害作用。
根癌农杆菌中存在有IamS和IamH基因(1nze，1984)，IamS基因产物可将内源色氨酸转变为吲哚乙醛，IamH基因产物又能把吲哚乙醛变成吲哚乙酸(生长素)。将这两种基因置于种皮特异性启动子控制之下，并分别导入两个亲本植物之中，如母本带有IamS基因，而父本带有IamH基因。将两亲本杂交后，形成的F1代种子的种皮中只含有纯合的Iams基因，而其它组织(如胚、胚乳)则含有杂合的Iams和IamH基因。由于IamS和I- amH基因均置于种皮特异性启动子之下，因此在胚和胚乳中，这两个基因均不表达；种皮中只有IamS基因，即使表达了也对种子无害。F1代植株受粉后，种皮在生长初期就会发生IamS和IamH基因的联合表达产生的过量生长素破坏种子的形成。
（2）细胞毒素基因的表达诱导F2种子败育。这一策略(Odell，1991)是使用噬菌体P1位点特异性Cre-lox重组系统，它包括重组酶基因(Cre)和重组位点(loxP)。Cre-lox系统可用来进行位点特异性的插入(Qinetal，1994)，就象大范围核酸酶（meganuclease）一样(Stu-urmanetal， 1996)，诱导移位或激活基因(Odell et al，1994)。例如，将lox-ployA-lox插入到目的基因和启动子之间，可阻止基因的转录；若有Cre基因存在并表达，可消除多聚腺苷酸序列和一个lox位点，只剩下一个1ox位点保留在启动子和目的基因之间，这个仅有23bP的lox位点不能阻止转录的进行，目的基因便被激活。
利用这个系统激活细胞毒素基因是生产无籽果实的好方法。首先培育两种转基因植物，母本含有种皮特异性启动子控制之下的细胞毒素基因，如编码barnase (一种RNA酶)的基因，并在此启动子和barnase基因之间插入lox-polyA-lox序列，父本植物含有与种皮特异性启动子相接的Cre基因：这两种转基因植株繁殖力强，能杂交产生F1种子。由于种皮内的母性遗传效应，barnase基因不被激活，因而F1种子和植株均有活力。但F1代自交结果后，F2代种子的种皮内既含有父本的Cre基因，又含有母本的lox-polyA-lox序列和barnase基因，Cre基因被表达，切除了lox— polyA序列，barnase基因得以表达，造成种皮破坏，进而引起种子败育。现已发现了一些细胞毒素基因，如白喉毒素A(diphtheria toxin A)基因(Czako，1992)、EcoRI基因(Barnes and Rine，1985)、barnase基因(Paddon and Hartlev，1987)及streptavidin基因(Sano and Cantor，1990)，并已成功地用于细胞切除(cell-ablation)实验中；Cre-lox系统也成功地用于种子内uidA(GUS)基因的激活。
3.利用“终止子”技术生产无籽果实。
用“终止子”技术生产无籽果实(Oliver，1996)是由Pelta和 Pine土地公司开发的一项专利，后来被孟山都公司购买，其主要目的是植物品种的生物保护。即利用这项技术的任何一个公司都能确保农民无法保留用于下一年播种的种子，而是必须到种子公司去买种子。但我们可利用这项技术开发无籽果实。现将这项技术介绍如下：
①将一个编码种子毒素基因导入目的植物，并置于种子特异性启动于控制之下，它只在种子形成后期有活性。然后将一种“阻断DNA”插入到种子特异性启动子和毒素基因之间。只要这个“阻断DNA"存在，毒素基因就不会表达。
②将一个编码重组酶的基因导入到同一植物中，当重组酶基因表达时，它可切除“阻断DNA”，从而使毒素基因得以表达。为了对重组酶的表达加以控制，连接重组酶基因的：启动子是阻遏型的，即能够被阻遏蛋白阻遏。
③再将一个编码阻遏蛋白的基因导入植物中，四环素可与此阻遏蛋白结合而使阻遏蛋白失活。
当四环素不存在时，阻遏蛋白表达，并阻遏重组酶的产生，“阻断DNA”保留在原位，因而不会产生种子死亡毒素。当F1代种子用四环素溶液浸泡后，阻遏蛋白丧失其阻遏活性，重组酶表达并切去“阻断DNA”，从而使毒素基因在种子特异性启动子作用下表达。当F1代植物结果并产生种子时，F2代种子被这种毒素杀死，从而实现了无籽果实的生产。
三、问题与展望：
植物激素的生物合成构成了植物体内信号传导网络的一部分，在此网络中存在着各种反馈回路及不同途径之间的交叉，其中一种激素水平的变化可能会使另一种激素的含量发生变化，结果导致植物复杂的生理效应，这些现象至今人们仍难给出满意的解释。但利用基因工程技术向植物中导入一些在激素生物合成和催化过程中起作用的外源基因已证明能产生更高或更低水平的有活性的激素，并因此影响植物的发育和植物对环境响应的变化，从而使得此类转基因植物具有潜在的商业价值。使用组织特异性或可诱导型的启动子来调控这些外源基因，更展示出其广泛的应用前景。人们已成功地向茄子中导入由于房特异性启动子控制的激素前体生物合成的基因，并生产出无籽茄子，而且这一方法也可能推广到其它植物，如番茄、西瓜等。通过Cre-lox系统及运用“终止子”技术表达细胞毒素，可引起种子败育，这可能也是生产无籽果实的好方法，因为它对种子公司和消费者均具有一定的吸引力。但终止子技术获得专利后引起国际很大的反响，虽然它有利于保护发明者的知识产权，但潜在的风险也是显而易见的，如对遗传多样性的影响；通过花粉非故意传播可能造成生物安全的风险；由于外观上分不清终止子技术生产的种子，可能出售或交换不能发芽的种子，播种后对生产造成不可弥补的损失等(沈桂芳和丁仁瑞，2000)。
尽管转基因新技术的运用和推广存在着一些问题和阻力，但消费者是市场真正的主人，而他们十分喜爱无籽西瓜、无籽葡萄和无籽柑桔，例如，世界上所消费的葡萄80％以上是无籽的。可见，只要果实在口味上、食用方便性等方面有所改进，以及水果一年四季不间断地供应，就易被消费者所接受。因此，利用基因工程技术生产无籽果实可能会成为公众接受转基因食品的一个开端。为顺应市场经济的要求和生物世纪的到来，我国科学工作者也应加强转基因无籽果实的研究与开发，主要应从两方面着手：一方面寻找、筛选各种组织特异性和可诱导型启动子，另一方面加强植物激素的分子生物学研究并大胆突破传统单性结实理论的束缚。总之，我们有理由相信随着基因工程生产无籽果实技术的不断进步、以及市场对无籽果实的青睐，无籽技术必将在不远的将来大规模地推广到蔬菜和水果生产中。